חלק א’: הדוגמה המרכזית של הגנטיקה
הגנום האנושי
- 95% מהגנום האנושי - רצפים לא מקודדים שאנחנו לא לגמרי מבינים את תפקידם
- כ-1% - מהגנים מקודדים חלבונים
- כמה אחוזים - אזורי בקרה שאנחנו קצת יותר מבינים
הדוגמה המרכזית (Central Dogma of Genetics)
הרעיון המרכזי שעליו בנויה היכולת של החיים על כדור הארץ:
\[\text{DNA} \xrightarrow{\text{Transcription}} \text{RNA} \xrightarrow{\text{Translation}} \text{Protein}\]- DNA צריך לעבור רפליקציה מדור לדור
- DNA עובר תעתוק (Transcription) ל-RNA
- RNA (השליח) מביא את המסר מהגרעין לציטופלזמה
- תרגום (Translation) של RNA לחלבון בריבוזומים
חלק ב’: רפליקציה של DNA (DNA Replication)
עקרונות יסוד
- מתרחשת בשלב $\text{S}$ של מחזור התא
- חייבת להיות מדויקת ביותר - טעויות יכולות לגרום:
- בתאים סומטיים: סרטן
- בתאי נבט (גמטות): מחלות גנטיות שעוברות לדור הבא
תהליך הרפליקציה
שלב ההתחלה (Initiation)
- Origin of Replication - נקודות התחלה באמצע הכרומוזומים (לא בקצוות)
- באיקריוטים: אין רצף קבוע, תלוי בקונטקסט
- אזורים עשירים ב-A-T (קל יותר לפתוח - 2 קשרי מימן בלבד)
- חלבונים מעורבים:
- Helicase - פותח את הסליל הכפול
- Gyrase/Topoisomerase - מונע התקשרויות וסיבובים לא רצויים
- SSB (Single Strand Binding proteins) - מחזיקים את הגדילים פתוחים
שלב ההתארכות (Elongation)
DNA Polymerase יכול לעבוד רק בכיוון 5’→3’, לכן:
- גדיל מוביל (Leading Strand)
- סינתזה רציפה בכיוון 5’→3’
- Primer אחד בהתחלה
- DNA Polymerase III מסנתז ברציפות
- גדיל מפגר (Lagging Strand)
- סינתזה לא רציפה במקטעים
- מקטעי אוקזאקי (Okazaki Fragments) - קטעים קצרים
- Primase מוסיף primers רבים
- DNA Polymerase III מסנתז כל מקטע
- DNA Polymerase I מסיר primers וממלא פערים
- Ligase מחבר בין המקטעים
בעיית הטלומרים
- בקצוות הכרומוזומים יש בעיה - אין איפה לשים primer
- טלומרים - רצפים חוזרים בקצוות
- טלומראז (Telomerase) - מאריך טלומרים
- קיצור טלומרים קשור להזדקנות
בקרת איכות ברפליקציה
- שכיחות טעות: $1$ ל-$10^7$ נוקלאוטידים
- מנגנוני תיקון:
- Proofreading על ידי DNA Polymerase
- DNA Repair mechanisms
- Checkpoints בסוף שלב S ולפני מיטוזה
- אם יש טעויות שלא ניתנות לתיקון ← אפופטוזיס
חלק ג’: תעתוק (Transcription)
הבדלים בין DNA ל-RNA
- RNA: חד-גדילי (Single-stranded)
- סוכר: ריבוז במקום דאוקסיריבוז
- בסיס: אורציל ($\ce{U}$) במקום תימין ($\ce{T}$)
- יכול לקבל מבנים מורכבים (loops, hairpins)
סוגי RNA
- mRNA (Messenger RNA) - נושא המידע לסינתזת חלבונים
- rRNA (Ribosomal RNA) - מרכיב מבני בריבוזומים
- tRNA (Transfer RNA) - מעביר חומצות אמינו בתרגום
- Non-coding RNA - כולל microRNA, lncRNA ועוד - תפקידי בקרה
תהליך התעתוק
התחלה (Initiation)
- Promoter - אזור בקרה לפני הגן
- TATA Box - רצף TATAAA כ-25 בסיסים לפני תחילת התעתוק
- גורמי תעתוק (Transcription Factors)
- מזהים ונקשרים ל-promoter
- קוראים ל-RNA Polymerase
- אזורי בקרה נוספים:
- Enhancers - מגבירי ביטוי (יכולים להיות רחוקים)
- Silencers - משתיקי ביטוי
דוגמאות לבקרת תעתוק
-
ויטמין D כ-Transcription Factor:
- נקשר לרצפטור VDR (Vitamin D Receptor)
- הקומפלקס נכנס לגרעין
- נקשר לאזורים ספציפיים ב-DNA
- מפעיל גנים של ספיגת סידן
-
Lac Operon בחיידקים:
- ללא לקטוז: repressor חוסם את RNA polymerase
- עם לקטוז: repressor משתחרר, מתרחש תעתוק של אנזימי פירוק לקטוז
עיבוד RNA (RNA Processing)
שחבור (Splicing)
- הסרת אינטרונים (רצפים לא מקודדים)
- חיבור אקסונים (רצפים מקודדים)
- מוטציות באתרי שחבור יכולות לגרום למחלות
הוספות לקצוות
5' Cap- הגנה ויציבות3' Poly-A Tail- יציבות ותרגום
חלק ד’: תרגום (Translation)
הקוד הגנטי
- 64 קודונים (טריפלטים של 3 בסיסים)
- 20 חומצות אמינו
- קודון התחלה: AUG (מקודד למתיונין)
- קודוני סיום: UAA, UAG, UGA
- הקוד הוא מנוון (degenerate) - יותר מקודון אחד לחומצת אמינו
תהליך התרגום בריבוזום
מבנה הריבוזום
- שתי תת-יחידות (גדולה וקטנה)
- 3 אתרים:
- אתר A (Aminoacyl) - כניסת tRNA טעון
- אתר P (Peptidyl) - יצירת קשר פפטידי
- אתר E (Exit) - יציאת tRNA ריק
שלבי התרגום
- mRNA נכנס לריבוזום
- סריקה עד מציאת AUG
- tRNA עם מתיונין נקשר
- התקדמות קודון-קודון
- בקודון סיום - שחרור השרשרת
חלק ה’: יסודות הגנטיקה - חוקי מנדל
חוק ההפרדה השווה (Law of Equal Segregation)
- כל הורה תורם אלל אחד באופן אקראי
- נכון בכל המקרים
חוק הדומיננטיות
- יש אללים דומיננטיים ורצסיביים
- נכון בחלק מהמקרים (לא תמיד)
חוק המבחר הבלתי תלוי (Independent Assortment)
- לא נכון לגמרי - גנים על אותו כרומוזום עוברים ביחד
- Linkage - גנים קרובים על אותו כרומוזום
- Crossing Over במיוזה יוצר שונות נוספת
חלק ו’: מחלות גנטיות אוטוזומליות רצסיביות
עקרונות כלליים
- צריך 2 אללים פגומים להופעת המחלה
- נשאים (הטרוזיגוטים) בדרך כלל בריאים
- שכיחות גבוהה יותר בנישואי קרובים
- עץ משפחה אופייני: הורים בריאים, ילדים חולים
פנילקטונוריה (PKU)
פתופיזיולוגיה
- חסר באנזים Phenylalanine Hydroxylase
- פנילאלנין לא מתפרק לטירוזין
- הצטברות פנילאלנין ומטבוליטים רעילים
תסמינים
- פיגור שכלי (אם לא מטופל)
- עור בהיר (חסר מלנין)
- שיער בהיר
- עיניים בהירות
- פזילה
- היפרטוניות
- מיקרוצפליה
- ריח “עכברי” אופייני
טיפול
- דיאטה דלת פנילאלנין מלידה
- פורמולה מיוחדת עם חומצות אמינו (ללא פנילאלנין)
- הגבלה חמורה של חלבונים
- צריך כמות מינימלית של פנילאלנין (חומצת אמינו חיונית)
- המשך דיאטה לכל החיים (במיוחד בהריון)
אבחון
- סקר ילודים (Newborn Screening) - בדיקת דם מהעקב
- מדידת רמות פנילאלנין בדם
ציסטיק פיברוזיס (CF)
גנטיקה
- גן: CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Regulator)
- מוטציה שכיחה: ΔF508 (חסר של פנילאלנין במיקום 508)
- מעל 2000 מוטציות ידועות
- נשאות: 1:22 באוכלוסייה הכללית
פתופיזיולוגיה - סוגי מוטציות
- Class I-II: החלבון לא מגיע לממברנה
- Class III: החלבון מגיע אך לא נפתח
- Class IV: תעלה עובדת חלקית
- Class V: כמות מופחתת של חלבון תקין
תסמינים
ריאות:
- הפרשות סמיכות
- דלקות ריאה חוזרות
- ברונכיאקטזיות
לבלב:
- אי-ספיקה אקסוקרינית
- צואה שומנית
- אי-שגשוג
מעיים:
- Meconium ileus בילודים (מקוניום סמיך)
מערכת רבייה:
- היעדר vas deferens דו-צדדי בגברים (אי-פוריות)
טיפולים חדשניים (תלויי מוטציה)
- Potentiators - פותחים תעלות שמגיעות לממברנה
- Correctors - עוזרים לחלבון להתקפל ולהגיע לממברנה
- Amplifiers - מגבירים ייצור החלבון
- אנטיביוטיקה (אמינוגליקוזידים) - עוקפים קודוני עצירה מוקדמים
חלק ז’: מחלות גנטיות אוטוזומליות דומיננטיות
מנגנונים למחלות דומיננטיות
1. Haploinsufficiency
- 50% מכמות החלבון לא מספיקה
- נפוץ בחלבונים מבניים
- דוגמה: Type I של Osteogenesis Imperfecta
2. Dominant Negative
- החלבון הפגום מפריע לחלבון התקין
- נפוץ בחלבונים המתארגנים במבנים מולטימריים
- דוגמה: Type II-III של Osteogenesis Imperfecta
3. Gain of Function
- החלבון רוכש פעילות חדשה או יתר
- דוגמה: אכונדרופלזיה
אוסטאוגנזיס אימפרפקטה (OI - “מחלת העצמות השבירות”)
גנטיקה
- גנים: COL1A1 ו-COL1A2
- מקודדים לקולגן Type I
- מבנה: Triple helix של 3 שרשראות קולגן
- רצף חוזר: Gly-X-Y (גליצין כל 3 חומצות אמינו)
סיווג וחומרה
Type I (קל) - Haploinsufficiency:
- שברים מתחילים בהליכה
- סקלרות כחולות
- אי-שגשוג קל
- חיים נורמליים יחסית
Type II (קטלני) - Dominant Negative:
- שברים תוך-רחמיים
- בית חזה קטן
- אי-ספיקה נשימתית
- מוות בינקות
Type III (חמור) - Dominant Negative:
- עיוותי עצמות חמורים
- קומה נמוכה מאוד
- שברים מרובים
- נכות קשה
תסמינים נוספים
- סקלרות כחולות - קולגן דליל בלובן העין
- Dentinogenesis Imperfecta - שיניים שבירות
- Wormian bones - עצמות נוספות בגולגולת
- ליקוי שמיעה
אכונדרופלזיה (Achondroplasia)
גנטיקה
- גן: FGFR3 (Fibroblast Growth Factor Receptor 3)
- מנגנון: Gain of Function
- 80% מוטציות De Novo
- Hot Spot - אותה מוטציה (G380R) ב-90% מהמקרים
- קשר לגיל האב המבוגר
פתופיזיולוגיה
- FGFR3 מעכב צמיחת עצם בלוחיות הגדילה
- המוטציה גורמת לעיכוב-יתר
- פגיעה בעיקר בעצמות ארוכות
תסמינים
- קומה נמוכה (גמדות)
- גפיים קצרות לא פרופורציונליות
- ראש גדול עם בליטת מצח
- גשר אף שקוע
- לורדוזיס מותנית
טיפול חדש
- תרופה מאושרת FDA מגיל 0
- פועלת downstream ב-pathway
- מנטרלת את העיכוב המוגבר
Thanatotropic Dysplasia
- מוטציה חמורה יותר ב-FGFR3
- בית חזה קטן מאוד
- אי-ספיקה נשימתית
- קטלני בדרך כלל
Homozygous Achondroplasia
- כאשר שני הורים עם אכונדרופלזיה מביאים ילד
- 25% סיכוי לילד עם 2 אללים פגומים
- פנוטיפ חמור הרבה יותר - בדרך כלל קטלני
Dravet Syndrome
- מחלת אפילפסיה חמורה בילדות
- דומיננטית אך בדרך כלל De Novo
- ילדים חולים בדרך כלל לא מביאים צאצאים
חלק ח’: מחלות עם הרחבת חזרות (Repeat Expansion Disorders)
מאפיינים כלליים
- רצפים חוזרים (בדרך כלל CAG) שמתרחבים
- Anticipation - החמרה מדור לדור:
- יותר חזרות
- גיל הופעה מוקדם יותר
- תסמינים חמורים יותר
מחלת הנטינגטון (Huntington Disease)
גנטיקה
- גן: HTT
- חזרות CAG המקודדות לגלוטמין (polyQ)
מספר חזרות וביטוי קליני
- 10-26: תקין
- 27-35: Pre-mutation (לא יציב)
- 36-40: Reduced penetrance
- >40: מחלה מלאה
פתופיזיולוגיה
- עודף גלוטמינים גורם לקיפול שגוי של החלבון
- הצטברות חלבון במוח
- מוות נוירונים
תסמינים
- תנועות כוריאיפורמיות
- דמנציה
- הפרעות פסיכיאטריות
- גיל הופעה: בדרך כלל 30-50 (תלוי במספר חזרות)
Anticipation
- סבא: 45 חזרות, תסמינים בגיל 60
- אב: 55 חזרות, תסמינים בגיל 40
- נכד: 70 חזרות, תסמינים בגיל 20
מחלות Fragile X
- הרחבת CGG ב-FMR1
- גורם לפיגור שכלי
- תורשה תלוית X עם אפקט anticipation
חלק ט’: מושגים חשובים נוספים
מוטציות De Novo
- מוטציות חדשות שלא עוברות בתורשה
- שכיחות גבוהה יותר:
- עם גיל האב המבוגר (תאי זרע מתחלקים כל הזמן)
- ב-Hot Spots (אזורים מועדים למוטציות)
- נפוצות במחלות דומיננטיות חמורות
Penetrance ו-Expressivity
Penetrance (חדירות)
- האם המוטציה תתבטא בכלל
- Complete (100%) או Incomplete (<100%)
Variable Expressivity
- חומרת הביטוי משתנה בין חולים
- אותה מוטציה - ספקטרום של תסמינים
מוזאיציזם (Mosaicism)
Somatic Mosaicism
- המוטציה בחלק מתאי הגוף
- ביטוי קל יותר של המחלה
Germline Mosaicism
- המוטציה בחלק מתאי הנבט
- הורה בריא יכול להביא מספר ילדים חולים
- מסביר “מוטציות דומיננטיות חוזרות”
חלק י’: חישובי סיכון גנטיים
מחלות רצסיביות
הורים נשאים
- 25% ילד חולה
- 50% ילד נשא
- 25% ילד בריא לא נשא
- הסיכון זהה בכל הריון - “זורקים את הקובייה מחדש”
חישוב סיכון עם נשאות באוכלוסייה
דוגמה - CF:
- נשאות באוכלוסייה: 1:22
- אם אחד ההורים נשא ידוע:
- סיכון שבן הזוג נשא: 1/22
- סיכון לילד חולה: 1/2 × 1/2 × 1/22 = 1/88
Obligate Carriers
- הורים לילד עם מחלה רצסיבית = נשאים בהכרח
- חריגים נדירים: מוזאיציזם, מוטציה חדשה
חישוב נשאות באחים
לאחים בריאים של חולה במחלה רצסיבית:
- אם לא ידוע שבריאים: 50% סיכוי נשאות
- אם ידוע שבריאים (מחלת ילדות): 2/3 סיכוי נשאות
מחלות דומיננטיות
- הורה חולה: 50% סיכון לכל ילד
- שני הורים חולים: 75% ילד חולה (25% עלול להיות הומוזיגוט - חמור יותר)
חלק י”א: אבחון גנטי
סקר ילודים (Newborn Screening)
- בדיקת דם מהעקב
- מזהה מחלות מטבוליות (PKU, CF ועוד)
- מאפשר טיפול מוקדם
בדיקות prenatales
- מי שפיר
- סיסי שלייה
- בדיקות גנטיות ממוקדות או רחבות
ייעוץ גנטי
- חישוב סיכונים
- הסבר על דפוסי תורשה
- אפשרויות לאבחון טרום-לידתי
- תמיכה פסיכולוגית
נקודות מפתח לזכור
-
DNA Polymerase עובד רק 5’→3’ - קריטי להבנת רפליקציה
-
מחלות רצסיביות - נשאות שכיחה, ביטוי רק בהומוזיגוטים
-
מחלות דומיננטיות - מספיק אלל אחד פגום, לעתים De Novo
-
Anticipation - החמרה מדור לדור במחלות חזרות
-
הסיכון בכל הריון נפרד - לא תלוי בילדים קודמים
-
Hot Spots - אזורים מועדים למוטציות
-
טיפולים ממוקדי מוטציה - עתיד הרפואה הגנטית